JP2021131965A - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池システムの暖機運転において、カソードで燃料ガスが異常発生することによる燃料電池スタックの昇温効率の低下を抑制できる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池スタックと、酸化剤ガス供給系と、燃料ガス供給系と、前記燃料電池スタックの発電を制御する制御部と、前記制御部の制御下において前記燃料電池スタックの電流を制御する電流制御回路と、前記燃料電池スタックのカソードに許容量を越える燃料ガスが発生している燃料ガス異常発生を監視する監視部と、を備える。前記制御部は、目標発熱量で前記燃料電池スタックが発熱するように、前記電流制御回路によって前記燃料電池スタックの電流を制御する暖機運転を実行し、前記暖機運転の実行中に、前記監視部が前記燃料ガス異常発生を検出した場合には、前記目標発熱量を低下させることにより、前記電流制御回路に前記燃料電池スタックの電流を低下させる。【選択図】図６

Description

本開示は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
燃料電池システムには、氷点下などの低温環境下での燃料電池スタックの起動時に、燃料電池スタックを急速に昇温させる暖機運転を実行するものがある。こうした暖機運転によって、燃料電池スタック内や反応ガス流路内の水分の凍結による不具合の発生を抑制することができる。暖機運転では、例えば、下記特許文献１に開示されているように、酸化剤ガスの供給量を低減させて、燃料電池スタックの発電効率を低下させることにより、燃料電池スタックの発熱量を増大させる場合がある。
特開２０１０−６１９６０号公報
上記のようにカソードに対する酸化剤ガスの供給量を制限する暖機運転では、カソードに対する酸化剤ガスの供給量が不足しがちになり、カソードにおいて燃料ガスが発生し、排ガス中の燃料ガス濃度が大きくなる可能性が高まる。燃料ガスとして水素が用いられている場合、そのようなカソードで発生する燃料ガスは、「ポンピング水素」とも呼ばれる。上記の特許文献１では、暖機運転の実行中にポンピング水素が異常発生したことが検出された場合には、燃料電池スタックに対する酸化剤ガスの供給量を増大させることにより、カソードでの酸化剤ガスの不足を解消し、排ガス中の水素濃度の上昇を抑制している。
しかしながら、暖機運転中に、そのように酸化剤ガスの供給量を増大させると、排ガス中の燃料ガス濃度の上昇を抑制できたとしても、燃料電池スタックの発電効率の上昇により、その昇温速度が低下し、暖機運転が長期化してしまう可能性がある。また、暖機運転中に酸化剤ガスの供給量を大きく増減させると、燃料電池スタックの発電状態が不安定になり、燃料電池システムの電力制御が困難になる可能性がある。このように、燃料電池システムの技術においては、暖機運転中に、カソードで燃料ガスが異常発生したときの対策について、依然として改良の余地がある。なお、カソードでの燃料ガスの異常発生は、カソードへの酸化剤ガスの供給が制限される暖機運転のみならず、他の方法での暖機運転においても、例えば、酸化剤ガス流路内での水分の凍結などの理由でカソードへの酸化剤ガスの供給が滞った場合にも発生し得る。
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのカソードへの前記酸化剤ガスの供給を実行する酸化剤ガス供給系と、前記燃料電池スタックのアノードへの前記燃料ガスの供給を実行する燃料ガス供給系と、前記燃料電池スタックの発電を制御する制御部と、前記制御部の制御下において前記燃料電池スタックの電流を制御する電流制御回路と、前記カソードに予め定められた許容量を越える前記燃料ガスが発生している燃料ガス異常発生を監視する監視部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池スタックの目標発熱量を設定し、前記目標発熱量で前記燃料電池スタックが発熱するように、前記電流制御回路によって前記燃料電池スタックの電流を制御する暖機運転を実行し、前記暖機運転の実行中に、前記監視部が前記燃料ガス異常発生を検出した場合には、前記目標発熱量を低下させることにより、前記電流制御回路に前記燃料電池スタックの電流を低下させる。
この形態の燃料電池システムによれば、暖機運転の実行中に、カソードでの燃料ガス異常発生が検出された場合には、目標発熱量が低下されることにより、燃料電池スタックの電流が低下される。これにより、カソードへの燃料ガスイオンの伝導が抑制され、カソードに存在する燃料ガスの低減を促進させることができる。よって、カソードに燃料ガスが存在することによって、燃料電池スタックの発電量が低下して、燃料電池スタックの実発熱量が、目標発熱量よりも著しく低下してしまうことが抑制され、暖機運転における燃料電池スタックの昇温速度の低下を抑制できる。
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記暖機運転の実行中に前記監視部が前記燃料ガス異常発生を検出して前記目標発熱量を低下させた後には、前記暖機運転が完了するまで、前記目標発熱量を高くすることなく、前記暖機運転を継続してよい。
この形態の燃料電池システムによれば、暖機運転の実行中に、目標発熱量が上下に変動することにより、燃料電池スタックの発電条件が頻繁に変更されて、燃料電池スタックの発電状態が不安定になることを抑制できる。
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記暖機運転の実行中に、前記目標発熱量に対して前記燃料電池スタックの電流と電圧とが定まる予め準備された関係を用いて、前記燃料電池スタックが出力する電力が予め定められた一定電力となるように、前記電流制御回路に前記燃料電池スタックの電流を制御させ、前記暖機運転の実行中に前記燃料ガス異常発生を検出した場合には、前記目標発熱量を低下させた変更後発熱量を設定し、前記電流制御回路に対して、前記燃料電池スタックの電流を、前記関係において、前記変更後発熱量と前記一定電力とに対して定まる変更後目標電流値まで低下させるように指令してよい。
この形態の燃料電池システムによれば、目標発熱量に基づいて、燃料電池スタックの発電状態を適切に制御することができるとともに、暖機運転中に燃料電池スタックから得られる電力を安定させることができる。
（４）上記形態の燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池スタックの電圧を計測する電圧センサを備え、前記制御部は、前記暖機運転の実行中に前記燃料ガス異常発生を検出した場合に、前記燃料電池スタックの電流を、前記変更後目標電流値まで低下させる前に、前記変更後目標電流値よりも低い迂回電流値まで低下させ、前記迂回電流値から前記変更後目標電流値まで増大させる過渡制御を実行し、前記過渡制御では、前記燃料電池スタックの電流を前記迂回電流値から前記変更後目標電流値まで増大させる間に、前記電圧センサの計測値が予め定められた閾値より低下した場合には、前記電流制御回路に対する電流指令値を一定に維持して、前記計測値が上昇し始めるのを待機する待機制御を実行してよい。
この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの電流をいったん、迂回電流値まで大幅に低下させるため、カソードでの燃料ガスの発生を、より迅速に抑制することができる。また、燃料電池スタックの電流を、迂回電流値から変更後目標電流値まで増加させる際に、燃料電池スタックの電圧が著しく低下してしまうことが、待機制御によって抑制されるため、燃料電池スタックの電流をより円滑に変化させることができる。
（５）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記暖機運転では、前記酸化剤ガスのストイキ比を、前記燃料電池スタックの通常運転の時よりも低減させてよい。
この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの発熱量をより高めることができるため、燃料電池スタックを効率良く暖機することができる。
本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、燃料電池システムの他に、例えば、燃料電池システムの制御方法、その制御方法をコンピューターに実行させるためのコンピュータープログラム、コンピュータープログラムを記録した非一過性の記録媒体などの形態で実現することができる。
燃料電池システムの構成を示す概略図。 燃料電池システムのより詳細な構成を示す概略図。 燃料電池システムの電気的構成を示す概略図。 制御装置の概略内部ブロック図。 二次電池の温度特性を示す説明図。 燃料電池システムにおける始動処理のフローを示す説明図。 動作点マップの一例を示す説明図。 動作点変更処理のフローを示す説明図。 過渡制御において燃料電池スタックの動作点が遷移する様子を示す説明図。 待機制御による燃料電池スタックの電圧と電流の時間変化の一例を示す説明図。
１．実施形態：
図１は、本実施形態における燃料電池システム１０の構成を示す概略図である。燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池車両に搭載され、後述する負荷からの要求電力や、外部給電のための要求電力を出力する。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０と、酸化剤ガス給排系３０と、燃料ガス給排系５０と、冷媒循環系７０とを備える。
燃料電池スタック２０は、複数の燃料電池セル２１と、一対のエンドターミナル２２，２３とを備える。複数の燃料電池セル２１はそれぞれ、板状であり、厚み方向である積層方向ＳＤに積層されている。燃料電池セル２１は、単体でも発電可能な発電要素である。燃料電池セル２１は、反応ガスとしての酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給を受け、それらの電気化学反応によって発電する。本実施形態では、燃料電池セル２１は、固体高分子形燃料電池として構成されている。また、本実施形態では、酸化剤ガスとして、空気に含まれる酸素が用いられ、燃料ガスとして水素が用いられる。
燃料電池セル２１は、イオン伝導性を有する高分子樹脂膜によって構成された電解質膜の両面に触媒が担持された電極であるアノードおよびカソードが配置された膜電極接合体を備える。燃料電池セル２１は、さらに、膜電極接合体を挟む２枚のセパレータを備える。膜電極接合体およびセパレータの図示は省略する。各燃料電池セル２１の外周端部には、反応ガスや、膜電極接合体の発電部を通過した反応オフガスを流通させるためのマニホールドＭｆａ，Ｍｆｂを形成する開口部（図示は省略）が設けられている。マニホールドＭｆａ，Ｍｆｂは、膜電極接合体の発電部に分岐接続されている。マニホールドＭｆａは、カソードに接続され、マニホールドＭｆｂはアノードに接続されている。また、各燃料電池セル２１の外周端部には、冷媒を流通させるためのマニホールドＭｆｃを形成する開口部（図示は省略）が設けられている。マニホールドＭｆｃは、隣接しているセパレータ同士の間に形成されている冷媒流路に接続されている。
一対のエンドターミナル２２，２３は、複数の燃料電池セル２１の積層方向ＳＤにおける両端部に配置されている。具体的には、第１エンドターミナル２２は燃料電池スタック２０の一方の端部に配置され、第２エンドターミナル２３は燃料電池スタック２０の一方の端部とは反対側の他方の端部に配置される。第１エンドターミナル２２には、マニホールドＭｆａ，Ｍｆｂ，Ｍｆｃを形成するための貫通孔である開口部２５が形成されている。一方で、第２エンドターミナル２３には、マニホールドＭｆａ，Ｍｆｂ，Ｍｆｃを形成するための貫通孔である開口部２５は形成されていない。これによって、燃料ガスと酸化剤ガスと冷媒とは、燃料電池スタック２０のうち積層方向ＳＤの一方側からのみ供給されたり排出されたりする。
酸化剤ガス給排系３０は、酸化剤ガス供給機能と、酸化剤ガス排出機能と、酸化剤ガスバイパス機能と、を有する。酸化剤ガス供給機能は、燃料電池セル２１のカソードに酸化剤ガスを供給する機能である。酸化剤ガス排出機能は、燃料電池セル２１のカソードから排出される酸化剤ガスおよび不活性ガスを含む排ガス（「酸化剤オフガス」ともいう。）を外部に排出する機能である。酸化剤ガスバイパス機能は、供給される酸化剤ガスを、燃料電池セル２１を介することなく外部に排出する機能である。
燃料ガス給排系５０は、燃料ガス供給機能と、燃料ガス排出機能と、燃料ガス循環機能とを有する。燃料ガス供給機能は、燃料電池セル２１のアノードに燃料ガスを供給する機能である。燃料ガス排出機能は、燃料電池セル２１のアノードから排出される燃料ガスおよび不活性ガスを含む排ガス（「燃料オフガス」ともいう。）を外部に排出する機能である。燃料ガス循環機能は、燃料ガスを燃料電池システム１０内において循環させる機能である。
冷媒循環系７０は、燃料電池スタック２０に冷媒を循環させて、燃料電池スタック２０の温度を調節する機能を有する。冷媒としては、例えば、エチレングリコールなどの不凍液や、水などの液体が用いられる。
図２は、燃料電池システム１０の詳細構成を示す概略図である。燃料電池システム１０は、上述の燃料電池スタック２０、酸化剤ガス給排系３０、燃料ガス給排系５０、冷媒循環系７０に加え、制御装置６０を有する。制御装置６０は、燃料電池システム１０の動作を制御する。制御装置６０の詳細は後述する。
酸化剤ガス給排系３０は、酸化剤ガス供給系３０Ａと、酸化剤ガス排出系３０Ｂとを備える。酸化剤ガス供給系３０Ａは、燃料電池スタック２０のカソードに酸化剤ガスを含む空気を供給する。酸化剤ガス供給系３０Ａは、酸化剤ガス供給路３０２と、外気温センサ３８と、エアクリーナ３１と、コンプレッサ３３と、モータ３４と、インタークーラ３５と、入口弁３６と、を有する。
酸化剤ガス供給路３０２は、燃料電池スタック２０の上流側に配置され、外部と燃料電池スタック２０のカソードとを連通させる管である。外気温センサ３８は、エアクリーナ３１に取り込まれる空気の温度を、外気温として計測する。外気温センサ３８の計測結果は制御装置６０に送信される。エアクリーナ３１は、酸化剤ガス供給路３０２のうちでコンプレッサ３３よりも上流側に設けられ、燃料電池スタック２０に供給される空気中の異物を除去する。コンプレッサ３３は、燃料電池スタック２０よりも上流側の酸化剤ガス供給路３０２に設けられ、制御装置６０からの指示に応じて圧縮した空気をカソードに向けて送り出す。コンプレッサ３３は、制御装置６０からの指示に応じて動作するモータ３４によって駆動される。インタークーラ３５は、酸化剤ガス供給路３０２のうちでコンプレッサ３３よりも下流側に設けられている。インタークーラ３５は、コンプレッサ３３によって圧縮されて高温となった空気を冷却する。入口弁３６は、燃料電池スタック２０のカソード入口側での空気の圧力を調整する。入口弁３６は、制御装置６０によって開度が制御される電磁弁や電動弁によって構成される。入口弁３６は、予め定められた圧力の空気が流入したときに機械的に開く開閉弁によって構成されてもよい。
酸化剤ガス排出系３０Ｂは、カソードを流通した酸化剤オフガスを外部に排出する。酸化剤ガス排出系３０Ｂは、酸化剤ガス排出路３０６と、バイパス路３０８と、を有する。酸化剤ガス排出路３０６は、燃料電池スタック２０のカソードから排出された酸化剤オフガスや水分、バイパス路３０８を流通した空気を外部に排出するための管である。本実施形態では、後述するように、酸化剤ガス排出路３０６は、排気排水路５０４から排出される燃料オフガスや排水も外部に排出する。酸化剤ガス排出路３０６の下流側端部にはマフラー３１０が設けられている。また、酸化剤ガス排出路３０６には、出口弁３７が設けられている。出口弁３７は、酸化剤ガス排出路３０６のうちでバイパス路３０８が接続された地点よりも上流側に配置されている。出口弁３７は、電磁弁や電動弁によって構成される。出口弁３７は、制御装置６０によって開度が調整されることで燃料電池スタック２０のカソード側流路の背圧を調整する。
バイパス路３０８は、燃料電池スタック２０を経由することなく、酸化剤ガス供給路３０２と酸化剤ガス排出路３０６とを接続する管である。バイパス路３０８には、バイパス弁３９が設けられている。バイパス弁３９は、電磁弁や電動弁によって構成される。バイパス弁３９は、制御装置６０によって開度が調整されることでバイパス路３０８を流通する空気の流量を調整する。
本実施形態では、酸化剤ガス排出路３０６の排気排水路５０４との合流点より上流側には、燃料ガスセンサ３１１が設けられている。燃料ガスセンサ３１１は、酸化剤ガス排出路３０６を流れる排ガス中の燃料ガス濃度を検出し、その検出結果を制御装置６０に送信する。本実施形態では、燃料ガスセンサ３１１は、水素濃度センサによって構成される。後述するように、燃料ガスセンサ３１１は、カソードにおける燃料ガスの異常発生の検出に用いられる。
燃料ガス給排系５０は、燃料ガス供給系５０Ａと、燃料ガス循環系５０Ｂと、燃料ガス排出系５０Ｃとを備える。
燃料ガス供給系５０Ａは、燃料電池スタック２０のアノードに燃料ガスを供給する。燃料ガス供給系５０Ａは、燃料ガス供給路５０１と、燃料ガスタンク５１と、開閉弁５２と、レギュレータ５３と、インジェクタ５４と、圧力センサ５９と、を備える。燃料ガス供給路５０１は、燃料ガスタンク５１と燃料電池スタック２０とに接続され、燃料ガスタンク５１から燃料電池スタック２０に向かう燃料ガスが流通する管である。燃料ガスタンク５１は、例えば高圧の水素ガスを貯蔵している。開閉弁５２は、燃料ガス供給路５０１において燃料ガスタンク５１の手前に設けられている。開閉弁５２は、開弁状態において燃料ガスタンク５１の燃料ガスを下流側へと流通させる。レギュレータ５３は、燃料ガス供給路５０１において開閉弁５２の下流側に設けられている。レギュレータ５３は、制御装置６０の制御によって、インジェクタ５４よりも上流側における燃料ガスの圧力を調整する。インジェクタ５４は、燃料ガス供給路５０１においてレギュレータ５３の下流側に設けられている。インジェクタ５４は、燃料ガス供給路５０１のうち、後述する燃料ガス循環路５０２の合流地点よりも上流側に配置されている。インジェクタ５４は、制御装置６０によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、電磁的に駆動する開閉弁である。制御装置６０は、インジェクタ５４を制御することにより、燃料電池スタック２０に供給される燃料ガス供給量を調整する。圧力センサ５９は、燃料ガス供給路５０１のうちでインジェクタ５４よりも下流側の内部圧力、つまり、燃料ガスの供給圧力を計測する。計測結果は制御装置６０に送信される。
燃料ガス循環系５０Ｂは、燃料電池スタック２０から排出される燃料オフガスを燃料ガス供給路５０１に循環させる。燃料ガス循環系５０Ｂは、燃料ガス循環路５０２と、気液分離器５７と、循環ポンプ５５と、モータ５６とを有する。燃料ガス循環路５０２は、燃料電池スタック２０と燃料ガス供給路５０１とに接続され、燃料ガス供給路５０１に向かう燃料オフガスが流通する管である。気液分離器５７は、燃料ガス循環路５０２に設けられ、燃料オフガスから水蒸気を含む液体成分を分離し、液水の状態で貯留する。循環ポンプ５５は、燃料ガス循環路５０２において気液分離器５７の下流側に設けられている。循環ポンプ５５は、モータ５６を駆動させることで燃料ガス循環路５０２内の燃料オフガスを燃料ガス供給路５０１に向かって循環させる。
燃料ガス排出系５０Ｃは、燃料オフガスや燃料電池スタック２０の発電によって生じた液水を燃料ガス給排系５０の外部へ排出する。燃料ガス排出系５０Ｃは、排気排水路５０４と排気排水弁５８と、を有する。排気排水路５０４は、液水を排出する気液分離器５７の排出口と、酸化剤ガス排出路３０６とに接続されている管である。本実施形態では、排気排水路５０４は、酸化剤ガス排出路３０６を通じて、燃料オフガスや排水を大気中に排出する。排気排水弁５８は、排気排水路５０４に設けられ、排気排水路５０４を開閉する。排気排水弁５８には、例えば、ダイヤフラム弁が用いられる。燃料電池システム１０の発電時には、制御装置６０は、予め定めたタイミングで排気排水弁５８に対して開弁指示を行う。
冷媒循環系７０は、冷媒循環路７９と、冷媒循環ポンプ７４と、モータ７５と、ラジエータ７１と、ラジエータファン７２と、スタック温度センサ７３とを備える。
冷媒循環路７９は、冷媒供給路７９Ａと、冷媒排出路７９Ｂとを有する。冷媒供給路７９Ａは、燃料電池スタック２０に冷媒を供給するための管である。冷媒排出路７９Ｂは、燃料電池スタック２０から冷媒を排出するための管である。冷媒循環ポンプ７４は、モータ７５の駆動によって冷媒供給路７９Ａの冷媒を燃料電池スタック２０へ送り出す。ラジエータ７１は、ラジエータファン７２によって風が送られて放熱することで、内部を流通する冷媒を冷却する。スタック温度センサ７３は、冷媒排出路７９Ｂ内の冷媒の温度を計測する。冷媒の温度の計測結果は、制御装置６０に送信される。制御装置６０は、スタック温度センサ７３の計測温度を、燃料電池スタック２０の温度として検出し、燃料電池システム１０の制御に用いる。
図３は、燃料電池システム１０の電気的構成を示す概念図である。燃料電池システム１０は、電流制御回路９５と、ＤＣ／ＡＣインバータ９８と、電圧センサ９１と、電流センサ９２とを備える。
電圧センサ９１は、燃料電池スタック２０の電圧を計測するために用いられる。電圧センサ９１は、燃料電池スタック２０の全ての燃料電池セル２１それぞれと接続されており、全ての燃料電池セル２１それぞれを対象に電圧を計測する。電圧センサ９１は、その計測結果を制御装置６０に送信する。電圧センサ９１によって計測された全ての燃料電池セル２１の計測電圧を合計することで燃料電池スタック２０の総電圧が計測される。なお、燃料電池システム１０は、電圧センサ９１に代えて、燃料電池スタック２０の両端の電圧を計測する電圧センサを有していてもよい。この場合、計測された両端の電圧値が、燃料電池スタック２０の総電圧となる。電流センサ９２は、燃料電池スタック２０による出力電流値を計測し、制御装置６０に送信する。
電流制御回路９５は、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータによって構成される。電流制御回路９５は、制御装置６０から送信される電流指令値に基づき、燃料電池スタック２０が出力する電流を制御する。電流指令値とは、燃料電池スタック２０による出力電流の目標値を表す値であり、制御装置６０によって設定される。
ＤＣ／ＡＣインバータ９８は、燃料電池スタック２０と負荷２００とに接続されている。負荷２００は、駆動力源である駆動モータやその他の燃料電池車両内の補機類、電装品を含む。ＤＣ／ＡＣインバータ９８は、燃料電池スタック２０から出力される直流電力を交流電力へと変換し、負荷２００に供給する。また、負荷２００に含まれる駆動モータにおいて回生電力が発生した場合には、ＤＣ／ＡＣインバータ９８はその回生電力を直流電力に変換する。ＤＣ／ＡＣインバータ９８によって直流電力に変換された回生電力は、ＢＤＣ９７を介して二次電池９６に蓄電される。
燃料電池システム１０は、さらに、二次電池９６と、ＢＤＣ９７とを備える。二次電池９６は、燃料電池スタック２０とともに、燃料電池システム１０の電力源として機能する。二次電池９６は、燃料電池スタック２０によって生じる電力や上述した回生電力によって充電される。なお、本実施形態では、二次電池９６は、リチウムイオン電池によって構成されており、氷点下では、充放電量の許容範囲が著しく狭くなる温度特性を有している。二次電池９６の温度特性については後述する。
ＢＤＣ９７は、ＤＣ／ＤＣコンバータによって構成され、制御装置６０の指示に応じて二次電池９６の充放電を制御する。また、ＢＤＣ９７は、二次電池９６のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：残容量）を計測し、制御装置６０に送信する。
図４は、制御装置６０の内部ブロック図である。制御装置６０は、ＥＣＵとも呼ばれ、制御部６２と、ＲＯＭやハードディスクなどの外部記憶装置によって構成された記憶部６８と、を備える。制御部６２は、少なくとも１つのプロセッサと主記憶装置とを備え、プロセッサが、記憶部６８から主記憶装置上に読み込んだプログラムや命令を実行することによって燃料電池スタック２０の発電を制御するための種々の機能を発揮する。なお、制御部６２の機能の少なくとも一部は、ハードウェア回路によって構成されてもよい。
記憶部６８には、制御部６２が実行する各種プログラムや、燃料電池システム１０の制御に用いられるパラメータ、後述する動作点マップＯＰＭを含む種々のマップ等が不揮発的に記憶されている。「不揮発的」とは、記憶装置に対する通電状態がオフされた場合でも情報が消失しないまま記憶装置に保持されることを意味する。制御部６２は、記憶部６８の各種プログラムを実行することで、動作制御部６４と、監視部６６として機能する。動作制御部６４は、燃料電池システム１０の動作を制御する。動作制御部６４は、燃料電池システム１０に対する負荷２００からの出力要求に応じて燃料電池スタック２０に発電させる通常運転を実行する。
また、動作制御部６４は、燃料電池スタック２０を急速に昇温させるための暖機運転を実行する。暖機運転は、燃料電池システム１０の起動時に動作制御部６４が実行する後述する始動処理において、予め定められた暖機条件が満たされた場合に実行される。本実施形態では、暖機条件は、外気温センサ３８の計測値が予め定めた温度以下であるときに満たされる。他の実施形態では、暖機条件は、例えば、冬季に燃料電池システム１０が所定の時間以上、停止した状態で放置されていた場合に満たされるものとしてもよい。暖機運転では、通常運転とは異なり、動作制御部６４は、燃料電池スタック２０の目標発熱量を設定し、負荷２００からの出力要求にかかわらず、その目標発熱量で燃料電池スタック２０が発電するように制御する。
本実施形態の暖機運転では、動作制御部６４は、燃料電池スタック２０に供給される酸化剤ガスのストイキ比を、通常運転でのストイキ比よりも小さくなるように酸化剤ガス給排系３０と燃料ガス給排系５０とを制御する。「酸化剤ガスのストイキ比」とは、要求発電電力を発電するために理論的に必要な酸化剤ガスの量に対する、実際に供給される酸化剤ガスの量の比を意味する。この制御によって、カソードでの濃度過電圧が増大し、燃料電池スタック２０の発電効率が低下するため、燃料電池スタック２０の発熱量が通常運転時よりも増大し、燃料電池スタック２０の昇温速度が高められる。暖機運転における酸化剤ガスのストイキ比は例えば、１．０程度としてよい。なお、本実施形態の暖機運転では、動作制御部６４は、燃料電池スタック２０に対する酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給量は、予め定められた供給量で維持される。
本実施形態では、動作制御部６４は、暖機運転が実行されている間には、燃料電池スタック２０が出力する電力が、予め定められた一定電力となるように制御する。この一定電力は、暖機運転の間に負荷２００で消費されることが見込まれる電力以上の値に設定されていることが望ましい。一定電力は、例えば、５〜１５ｋＷ程度としてもよい。
監視部６６は、燃料電池スタック２０のカソードにおける燃料ガスの異常発生を監視する。ここで、カソードにおける燃料ガスの異常発生について説明する。燃料電池スタック２０において、アノードでイオン化した燃料ガスが、電解質膜を介してカソードへと移動して電子と再結合すると、カソードに燃料ガスが発生する。こうしたカソードでの燃料ガスの発生は、カソードに対する酸化剤ガスの供給量が不足する場合に生じやすい。燃料ガスが水素である場合、このカソードで発生する燃料ガスは、「ポンピング水素」とも呼ばれる。以下の説明での「カソードで発生する燃料ガス」は、「ポンピング水素」と言い換えることができる。監視部６６は、カソードにおける許容量を超える燃料ガスの発生をカソードにおける燃料ガスの異常発生として検出する。
本実施形態では、監視部６６は、燃料ガスセンサ３１１によって計測される排ガス中の燃料ガス濃度が予め定められた許容値を超えたときに、カソードにおける燃料ガスの異常発生を検出する。なお、他の実施形態では、監視部６６は、排ガス中の燃料ガス濃度を監視する以外の方法によって、カソードにおける燃料ガスの異常発生を検出してもよい。監視部６６は、例えば、カソードでの燃料ガスの異常発生に起因することが見込まれる燃料電池スタック２０の電圧の変化に基づいてカソードにおける燃料ガスの異常発生を検出してもよい。
動作制御部６４は、暖機運転の実行中に、監視部６６がカソードにおける燃料ガスの異常発生を検出した場合には、燃料電池スタック２０の目標発熱量を低下させる処理を実行する。この詳細については後述する。
図５は、二次電池９６の温度特性を示す図である。リチウムイオン電池などの二次電池は、氷点下、特に−２０℃（摂氏）以下になると、急激に充放電可能な電力の幅が狭くなる。そのため、氷点下では、燃料電池スタック２０の発電電力が要求発電電力よりも超過したり、不足したりした場合に、二次電池９６に超過分の電力を蓄電したり、不足分の電力を二次電池９６から放電したりすることが困難となる場合が生じ得る。そこで、本実施形態では、暖機運転の際に、二次電池９６の充放電量が所定の範囲に収まるように、燃料電池スタック２０の発電電力が、上述した一定電力に制御される。これにより、暖機運転の実行中に、燃料電池スタック２０の電力が変動することが抑制されるため、低温のために充放電量の許容範囲が狭まっている二次電池９６に負荷がかかることが抑制される。よって、例えば、過剰な負荷により二次電池９６のリチウムが溶出するなど、二次電池９６の劣化の発生が抑制される。
図６は、制御部６２の動作制御部６４が実行する始動処理のフローを示す説明図である。始動処理は、燃料電池車両に対する起動操作がされ、燃料電池システム１０の運転開始が指令されたときに、動作制御部６４が実行する。ステップＳ１０では、動作制御部６４は、燃料電池スタック２０の発電を開始させる。具体的には、動作制御部６４は、酸化剤ガス給排系３０に、燃料電池スタック２０のカソードへの酸化剤ガスを含む空気の供給を開始させるとともに、燃料ガス給排系５０に、燃料電池スタック２０のアノードへの燃料ガスの供給を開始させる。
ステップＳ１５では、動作制御部６４は、暖機運転の開始条件である暖機条件が満たされているか否かを判定する。上述したように、本実施形態では、外気温センサ３８の計測値が予め定めた温度以下である場合に、暖機条件が満たされていると判定する。本実施形態では、暖機条件の閾値温度は氷点である。暖機条件の閾値温度は、氷点よりも低い温度であってもよいし、氷点より高い氷点近傍の温度であってもよい。暖機条件が満たされていない場合には、動作制御部６４は、暖機運転を実行することなく、始動処理を終了し、通常運転を開始する。暖機条件が満たされている場合には、動作制御部６４は、以下に説明するステップＳ２０〜Ｓ７０の工程を備える暖機運転を開始する。
ステップＳ２０では、動作制御部６４は、暖機運転での燃料電池スタック２０の発熱量の目標値である目標発熱量を設定する。動作制御部６４は、現在の外気温、または、燃料電池スタック２０の温度が低いほど、目標発熱量を大きい値に設定する。動作制御部６４は、目標発熱量を設定する際に、予め準備され、記憶部６８に格納されているマップを用いてもよい。
ステップＳ３０では、動作制御部６４は、燃料電池スタック２０に目標発熱量での発熱をさせるための目標動作点を決定する。ここでの目標動作点とは、燃料電池スタック２０の目標電流値と目標電圧値の組で定まる目標とする燃料電池スタック２０の発電状態を意味する。動作制御部６４は、以下に説明する動作点マップＯＰＭを用いて、ステップＳ２０で設定した目標発熱量Ｑｔに対する目標動作点ＴＰを求め、その目標動作点ＴＰで燃料電池スタック２０を発電させることを決定する。
図７は、動作点マップＯＰＭの一例を示す説明図である。動作点マップＯＰＭには、目標発熱量Ｑｔに対して燃料電池スタック２０の目標電流値と目標電圧値とが定まる関係が規定されている。この関係は、種々の発熱量で燃料電池スタック２０を発電させたときの燃料電池スタック２０の電流と電圧を計測することによって実験的に求めることができる。図７では、動作点マップＯＰＭに規定されている関係は、目標発熱量Ｑａ，Ｑｂ，Ｑｃ（Ｑａ＞Ｑｂ＞Ｑｃ）で発熱するように燃料電池スタック２０を発電させるときの燃料電池スタック２０の目標電流値と目標電圧値の一対一の対応関係を示すグラフとして表されている。動作点マップＯＰＭでは、目標発熱量Ｑｔが大きいほど、目標発熱量Ｑｔに対して定まる目標電流値の範囲は、電流軸の正の方向にシフトする。
ここで、図７には、暖機運転の際に動作制御部６４が燃料電池スタック２０に出力させる一定電力を示す等パワーラインＰＬが一点鎖線で図示されている。燃料電池スタック２０の目標動作点ＴＰは、目標発熱量Ｑｔのグラフと等パワーラインＰＬとの交点に相当する。なお、燃料電池スタック２０は、その温度によってＩ−Ｖ特性が変化するため、等パワーラインＰＬは、燃料電池スタック２０の温度に応じて変化する。そのため、目標発熱量Ｑｔに対する目標動作点ＴＰは、燃料電池スタック２０の温度に応じて変化する。動作制御部６４は、目標動作点ＴＰを決定する際には、燃料電池スタック２０の現在の温度に応じた等パワーラインＰＬを求め、その等パワーラインＰＬ上の目標動作点ＴＰを取得する。
ステップＳ４０では、動作制御部６４は、ステップＳ３０で決定した、目標発熱量Ｑｔに応じた目標動作点ＴＰで、燃料電池スタック２０を運転する。より具体的には、動作制御部６４は、燃料電池スタック２０の電流が、ステップＳ３０で決定した目標動作点ＴＰでの目標電流値となるように、当該目標電流値を、電流制御回路９５に対する電流指令値として設定する。これによって、燃料電池スタック２０の電流が目標電流値へと調整され、燃料電池スタック２０の電圧も目標電圧値へと調整される。
ステップＳ５０では、動作制御部６４は、監視部６６によってカソードにおける燃料ガスの異常発生が検出されているか否かを判定する。カソードにおける燃料ガスの異常発生が検出された場合には、動作制御部６４は、ステップＳ６０において、目標発熱量Ｑｔを低下させて目標動作点を変更する動作点変更処理の実行を開始する。動作点変更処理については後述する。
ステップＳ５０においてカソードにおける燃料ガスの異常発生が検出されていない場合、または、ステップＳ６０の動作点変更処理に実行後には、動作制御部６４は、ステップＳ７０において、暖機運転を完了するか否かを判定する。動作制御部６４は、予め定められた暖機完了条件が満たされているか否かを判定する。本実施形態では、暖機完了条件は、燃料電池スタック２０の温度が予め定められた閾値温度以上である場合に満たされる。なお、他の実施形態では、暖機完了条件は、例えば、燃料電池スタック２０以外のシステム補機類の温度が閾値温度以上になったときに満たされるものとしてもよい。また、暖機完了条件は、目標発熱量から求められる暖機完了時間が経過したときに満たされるものとしてもよい。
動作制御部６４は、暖機完了条件が満たされている場合には、暖機運転を完了し、始動処理を終了する。動作制御部６４は、始動処理の終了後には、燃料電池スタック２０の通常運転を開始する。一方、暖機完了条件が満たされていない場合には、動作制御部６４は、ステップＳ４０に戻り、現在の目標発熱量Ｑｔに対する目標動作点ＴＰでの燃料電池スタック２０の発電を継続する。動作制御部６４は、ステップＳ５０のカソードにおける燃料ガスの異常発生の判定を、ステップＳ７０で暖機完了条件が満たされるまで、所定の制御周期で繰り返し実行する。なお、暖機運転が継続されている間、目標発熱量Ｑｔに対する目標動作点ＴＰでの目標電流値および目標電圧値は、燃料電池スタック２０の昇温に伴うＩ−Ｖ特性の変化に対応するように、燃料電池スタック２０の現在の温度に応じて更新される。
図８は、動作点変更処理のフローを示す説明図である。動作点変更処理は、燃料電池スタック２０の目標動作点ＴＰを変更することによって、カソードで発生している燃料ガスを低減させ、燃料電池スタック２０の昇温効率の低下を抑制するための処理である。ステップＳ１００では、動作制御部６４は、目標発熱量Ｑｔの値を、現在設定されている目標発熱量Ｑｔよりも低下させる。動作制御部６４は、例えば、現在の目標発熱量Ｑｔから予め定められた低下量ΔＱを減算した値を、新たな目標発熱量Ｑｔとして設定する。
ステップＳ１１０では、動作制御部６４は、図６のステップＳ３０で説明したのと同様に、図７の動作点マップＯＰＭを用いて、低下後の目標発熱量Ｑｔに対する新たな目標動作点ＴＰを決定する。続くステップＳ１２０〜Ｓ１７０では、燃料電池スタック２０が、ステップＳ１１０で決定された目標動作点ＴＰでの発電状態に円滑に移行できるようにするための過渡制御が実行される。
図９を参照して、ステップＳ１２０〜Ｓ１７０での過渡制御を説明する。図９には、図７で説明した動作点マップＯＰＭを表すグラフ上に、ステップＳ１２０〜Ｓ１７０の過渡制御の実行中に燃料電池スタック２０の動作点が遷移する様子が模式的に例示されている。図９の例では、カソードにおける燃料ガスの異常発生が検出されたときの目標発熱量Ｑｔは、Ｑｏであり、そのＱｏに対して設定された目標動作点ＴＰは、ＴＰｏとして示されている。また、ステップＳ１００で低下された後の目標発熱量ＱｔはＱｎであり、そのＱｎに対して設定された目標動作点ＴＰは、ＴＰｎとして示されている。以下では、Ｑｏを「変更前発熱量Ｑｏ」、ＴＰｏを「変更前動作点ＴＰｏ」、Ｑｎを「変更後発熱量Ｑｎ」、ＴＰｎを「変更後動作点ＴＰｎ」と呼ぶ。
ステップＳ１２０では、動作制御部６４は、迂回電流値Ｉｐを設定する。迂回電流値Ｉｐは、変更後動作点ＴＰｎでの目標電流値である変更後目標電流値Ｉｔよりも小さい電流値である。動作制御部６４は、変更後目標電流値Ｉｔから予め定められた低下量ΔＩを減算した値を迂回電流値Ｉｐとして設定する。
ステップＳ１３０では、動作制御部６４は、迂回電流値Ｉｐを電流制御回路９５に対する電流指令値として設定し、電流制御回路９５に、燃料電池スタック２０の電流を、変更前動作点ＴＰｏでの目標電流値Ｉｃから、迂回電流値Ｉｐまで低下させる。これによって、燃料電池スタック２０の動作点は、目標電流値が迂回電流値Ｉｐである等パワーラインＰＬ上の迂回動作点ＴＰｐに遷移する。このように、燃料電池スタック２０の電流を迂回電流値Ｉｐまで急速、かつ、大幅に低下させることによって、カソードへの燃料ガスイオン、本実施形態ではプロトン、の伝導量を急速に低減させることができる。これにより、カソードでの燃料ガスの発生に、迅速に歯止めをかけるこができ、カソードからの燃料ガスの排出を促進させることができる。
ステップＳ１４０では、動作制御部６４は、燃料電池スタック２０の動作点を迂回動作点ＴＰｐから変更後動作点ＴＰｎへと遷移させる制御を実行する。動作制御部６４は、燃料電池スタック２０の電力を一定電力に維持しつつ、燃料電池スタック２０の電流を迂回電流値Ｉｐから変更後目標電流値Ｉｔまで徐々に増大させる電流制御を実行する。この電流制御では、動作制御部６４は、電流制御回路９５に対する電流指令値を、燃料電池スタック２０の応答速度を超えない所定の速度で、変更後目標電流値Ｉｔまで増大させていく。
動作制御部６４は、燃料電池スタック２０の電流を迂回電流値Ｉｐから変更後目標電流値Ｉｔまで増大させていく間に、定期的にステップＳ１５０の判定処理を実行する。ステップＳ１５０では、動作制御部６４は、燃料電池スタック２０の電圧が許容範囲を超えて低下しているか否かを判定する。ここでの許容範囲は、燃料電池スタック２０の発電状態が不安定になることが抑制される予め実験的に求められている範囲である。動作制御部６４は、電圧センサ９１の計測値が予め定められた第１閾値Ｖａ以下になっている場合には、燃料電池スタック２０の電圧が許容範囲を超えて低下しているものとして、後述するステップＳ１６０の待機制御を実行する。動作制御部６４は、電圧センサ９１の計測値が第１閾値Ｖａより大きい場合には、燃料電池スタック２０の電流を増大させる制御をそのまま継続する。
ステップＳ１７０において、燃料電池スタック２０の電流指令値が変更後目標電流値Ｉｔに設定され、燃料電池スタック２０の動作点が変更後動作点ＴＰｎに到達した場合には、動作制御部６４は、動作点変更処理を終了し、図６の始動処理に戻る。その後、動作制御部６４は、図６のステップＳ７０において暖機完了条件が満たされるまで、変更後動作点ＴＰｎを目標動作点ＴＰとして暖機運転を継続する。
ここで、動作点変更処理で燃料電池スタック２０の目標発熱量Ｑｔが低下された後には、暖機運転が完了するまで、目標発熱量Ｑｔが高く設定されることはない。そのため、目標発熱量Ｑｔが上下に変動することにより、燃料電池スタック２０の発電条件が頻繁に変更されて、燃料電池スタック２０の発電状態が不安定になることが抑制される。よって、燃料電池スタック２０の発電量が変動することにより、低温環境下で充放電量の許容範囲が狭まっている二次電池９６に負荷がかかることが抑制される。また、動作点変更処理で燃料電池スタック２０の目標発熱量Ｑｔを低下された後に、再び、目標発熱量Ｑｔを高くすると、再度、カソードにおいて燃料ガスが異常発生するリスクが高まる。よって、動作点変更処理で燃料電池スタック２０の目標発熱量Ｑｔを低下された後に、目標発熱量Ｑｔが高く設定されないようにすることによって、暖機運転中に、カソードでの燃料ガスの異常発生が繰り返し発生することを抑制できる。
図１０を参照して、ステップＳ１６０の待機制御を説明する。図１０は、待機制御が繰り返し実行されている間の燃料電池スタック２０の電圧と電流の時間変化の一例を示す説明図である。
上述したように、燃料電池スタック２０の電流を、変更後目標電流値Ｉｔに向けて増大させている間に、電圧センサ９１の計測値が第１閾値Ｖａ以下になったときに、ステップＳ１６０の待機制御が実行される（時刻ｔ１）。電圧センサ９１の計測値が第１閾値Ｖａ以下になるのは、カソードにおける酸化剤ガスが不足するためである。動作制御部６４は、電流制御回路９５の電流指令値を一定に維持した状態で待機する待機制御を実行して、カソードに酸化剤ガスが到達し、燃料電池スタック２０の電圧が上昇し始めることを待つ。
動作制御部６４は、燃料電池スタック２０の電圧が上昇して、第２閾値Ｖｂ以上になったときには、待機制御を終了し、燃料電池スタック２０の電流を増大させる制御を再開する（時刻ｔ２）。本実施形態では、第２閾値Ｖｂは第１閾値Ｖａよりも大きい値に設定されている。ただし、他の実施形態では、第２閾値Ｖｂは、第１閾値Ｖａと等しい値であってもよい。また、待機制御の開始後、燃料電池スタック２０の電圧が上昇に転じて、第１閾値Ｖａより低い第２閾値Ｖｂより大きくなったことが検出された場合に、待機制御を終了するものとしてもよい。
待機制御は、燃料電池スタック２０の電流が変更後目標電流値Ｉｔに到達するまで、燃料電池スタック２０の電圧が大きく低下してしまわないように、繰り返し実行される。図１０の例では、時刻ｔ１〜ｔ２の１回目の待機制御の後、時刻ｔ３〜ｔ４の期間と時刻ｔ５〜ｔ６の期間とで待機制御が繰り返し実行され、時刻ｔ７において、燃料電池スタック２０の電流が変更後目標電流値Ｉｔに到達している。
このように、動作点変更処理に過渡制御において、待機制御が実行されることによって、燃料電池スタック２０の電圧が低下しすぎてしまい、燃料電池スタック２０の発電状態が不安定になってしまうことを抑制できる。よって、待機制御が実行されない場合よりも、燃料電池スタック２０の動作点を、変更後動作点ＴＰｎまで、より円滑に遷移させることができる。
図９を参照して、動作点変更処理において燃料電池スタック２０の目標発熱量を低下させる理由を説明する。図９には、カソードで燃料ガスが異常発生し、燃料電池スタック２０が実発熱量ＱＭで発熱しているときの燃料電池スタック２０の電流と電圧の実測値を結んだグラフＧＣが破線で図示されている。実発熱量ＱＭは、図９に示されている変更前発熱量Ｑｏや変更後発熱量Ｑｎより小さい値である。
カソードで燃料ガスが異常発生しているときには、燃料電池スタック２０の発電状態が悪化するため、グラフＧＣは、動作点マップＯＰＭに規定されている目標発熱量Ｑｔを定めるための電流・電圧曲線とは大きく異なっている。また、カソードで燃料ガスが異常発生しているときには、燃料電池スタック２０の発熱量は通常時よりも低下する。そのため、カソードで燃料ガスが異常発生している場合には、目標発熱量Ｑｔに対して設定された目標動作点ＴＰで燃料電池スタック２０を発電させていたとしても、燃料電池スタック２０での発熱量は、その目標発熱量Ｑｔよりも低くなってしまう。図９の例では、変更前動作点ＴＰｏで発電しているときの燃料電池スタック２０は、変更前発熱量Ｑｏより小さい実発熱量ＱＭで発熱している。
ここで、カソードでの燃料ガスの異常発生が検出され、動作点変更処理が実行された場合には、目標発熱量Ｑｔが低下される。これにより、燃料電池スタック２０の電流が低下されて、カソードへ移動する燃料ガスイオンが低減される。そのため、カソードでの燃料ガスの発生が抑制されて、カソードに存在する燃料ガスの低減が促進される。よって、カソードに存在する燃料ガスによって、燃料電池スタック２０の発電量が低下し、燃料電池スタック２０の発熱量が、目標発熱量Ｑｔよりも大きく低下してしまうことが抑制される。そのため、目標発熱量Ｑｔを変更前発熱量Ｑｏのままで暖機運転を継続したときよりも燃料電池スタック２０の実発熱量を上昇させることができ、暖機運転での燃料電池スタック２０の昇温効率の低下を抑制できる。
以上のように、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、暖機運転の実行中に、カソードにおける燃料ガスの異常発生が検出された場合には、目標発熱量Ｑｔが低下されることによって、燃料電池スタック２０の電流が低下するように、その動作点が変更される。これにより、カソードに存在する燃料ガスの低減が促進され、暖機運転における燃料電池スタックの昇温効率の低下が抑制される。
２．他の実施形態：
上記実施形態で説明した種々の構成は、例えば、以下のように改変することが可能である。以下に説明する他の実施形態はいずれも、上記実施形態と同様に、本開示の技術を実施するための形態の一例として位置づけられる。
・他の実施形態１：
動作制御部６４は、カソードでの燃料ガスの異常発生を検出して目標発熱量Ｑｔを低下させた後に、カソードでの燃料ガスの異常発生が解消されたことを検出した場合には、暖機運転が完了する前でも、目標発熱量Ｑｔを高くして変更前の元の値に戻してもよい。
・他の実施形態２：
動作制御部６４は、暖機運転において、目標発熱量Ｑｔに応じて燃料電池スタック２０の電流を制御する際に、動作点マップＯＰＭを用いなくてもよい。動作制御部６４は、例えば、燃料電池スタック２０の電流を、目標発熱量Ｑｔに対して一意に定められている目標電流値に制御してもよい。また、動作制御部６４は、燃料電池スタック２０の電流を低下させる際に、図８で説明した過渡制御や待機制御を実行しなくてもよい。
・他の実施形態３：
動作制御部６４は、暖機運転において、酸化剤ガスのストイキ比を、燃料電池スタック２０の通常運転時より低減させなくてもよい。動作制御部６４は、暖機運転において、酸化剤ガスのストイキ比を、燃料電池スタック２０の通常運転時のストイキ比と同じストイキ比や、それより大きいストイキ比に制御してもよい。
３．その他：
上記実施形態において、ソフトウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ハードウェアによって実現されてもよい。また、ハードウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ソフトウェアによって実現されてもよい。ハードウェアとしては、例えば、集積回路、ディスクリート回路、または、それらの回路を組み合わせた回路モジュールなど、各種回路を用いることができる。
本開示の技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須ではないと説明されているものに限らず、その技術的特徴が本明細書中に必須であると説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
１０…燃料電池システム、２０…燃料電池スタック、２１…燃料電池セル、２２…第１エンドターミナル、２３…第２エンドターミナル、２５…開口部、３０…酸化剤ガス給排系、３０Ａ…酸化剤ガス供給系、３０Ｂ…酸化剤ガス排出系、３１…エアクリーナ、３３…コンプレッサ、３４…モータ、３５…インタークーラ、３６…入口弁、３７…出口弁、３８…外気温センサ、３９…バイパス弁、５０…燃料ガス給排系、５０Ａ…燃料ガス供給系、５０Ｂ…燃料ガス循環系、５０Ｃ…燃料ガス排出系、５１…燃料ガスタンク、５２…開閉弁、５３…レギュレータ、５４…インジェクタ、５５…循環ポンプ、５６…モータ、５７…気液分離器、５８…排気排水弁、５９…圧力センサ、６０…制御装置、６２…制御部、６４…動作制御部、６６…監視部、６８…記憶部、７０…冷媒循環系、７１…ラジエータ、７２…ラジエータファン、７３…スタック温度センサ、７４…冷媒循環ポンプ、７５…モータ、７９…冷媒循環路、７９Ａ…冷媒供給路、７９Ｂ…冷媒排出路、９１…電圧センサ、９２…電流センサ、９５…電流制御回路、９６…二次電池、９７…ＢＤＣ、９８…ＤＣ／ＡＣインバータ、２００…負荷、３０２…酸化剤ガス供給路、３０６…酸化剤ガス排出路、３０８…バイパス路、３１０…マフラー、３１１…燃料ガスセンサ、５０１…燃料ガス供給路、５０２…燃料ガス循環路、５０４…排気排水路、Ｍｆａ…マニホールド、Ｍｆｂ…マニホールド、Ｍｆｃ…マニホールド、ＯＰＭ…動作点マップ、ＰＬ…等パワーライン、Ｑｎ…変更後発熱量、Ｑｏ…変更前発熱量、Ｑｔ…目標発熱量、ＴＰ…目標動作点、ＴＰｎ…変更後動作点、ＴＰｏ…変更前動作点、ＴＰｐ…迂回動作点

Claims (6)

  1. 燃料電池システムであって、
    酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックのカソードへの前記酸化剤ガスの供給を実行する酸化剤ガス供給系と、
    前記燃料電池スタックのアノードへの前記燃料ガスの供給を実行する燃料ガス供給系と、
    前記燃料電池スタックの発電を制御する制御部と、
    前記制御部の制御下において前記燃料電池スタックの電流を制御する電流制御回路と、
    前記カソードに予め定められた許容量を越える前記燃料ガスが発生している燃料ガス異常発生を監視する監視部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記燃料電池スタックの目標発熱量を設定し、前記目標発熱量で前記燃料電池スタックが発熱するように、前記電流制御回路によって前記燃料電池スタックの電流を制御する暖機運転を実行し、
    前記暖機運転の実行中に、前記監視部が前記燃料ガス異常発生を検出した場合には、前記目標発熱量を低下させることにより、前記電流制御回路に前記燃料電池スタックの電流を低下させる、燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記暖機運転の実行中に前記監視部が前記燃料ガス異常発生を検出して、前記目標発熱量を低下させた後には、前記暖機運転が完了するまで、前記目標発熱量を高くすることなく、前記暖機運転を継続する、燃料電池システム。
  3. 請求項１または請求項２記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、
    前記暖機運転の実行中に、前記目標発熱量に対して前記燃料電池スタックの電流と電圧とが定まる予め準備された関係を用いて、前記燃料電池スタックが出力する電力が予め定められた一定電力となるように、前記電流制御回路に前記燃料電池スタックの電流を制御させ、
    前記暖機運転の実行中に前記燃料ガス異常発生を検出した場合には、前記目標発熱量を低下させた変更後発熱量を設定し、前記電流制御回路に対して、前記燃料電池スタックの電流を、前記関係において、前記変更後発熱量と前記一定電力とに対して定まる変更後目標電流値まで低下させるように指令する、燃料電池システム。
  4. 請求項３記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記燃料電池スタックの電圧を計測する電圧センサを備え、
    前記制御部は、前記暖機運転の実行中に前記燃料ガスの異常発生を検出した場合に、前記燃料電池スタックの電流を、前記変更後目標電流値まで低下させる前に、前記変更後目標電流値よりも低い迂回電流値まで低下させ、前記迂回電流値から前記変更後目標電流値まで増大させる過渡制御を実行し、
    前記過渡制御では、前記燃料電池スタックの電流を前記迂回電流値から前記変更後目標電流値まで増大させる間に、前記電圧センサの計測値が予め定められた閾値より低下した場合には、前記電流制御回路に対する電流指令値を一定に維持して、前記計測値が上昇し始めるのを待機する待機制御を実行する、燃料電池システム。
  5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記暖機運転では、前記酸化剤ガスのストイキ比を、前記燃料電池スタックの通常運転の時よりも低減させる、燃料電池システム。
  6. 燃料電池スタックを備える燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給し、前記燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給することによって、前記燃料電池スタックに発電を開始させる工程と、
    前記燃料電池スタックの目標発熱量を設定し、前記目標発熱量で前記燃料電池スタックが発熱するように、電流制御回路によって前記燃料電池スタックの電流を制御する暖機運転を開始する工程と、
    前記暖機運転の実行中に、前記カソードに予め定められた許容量を越える前記燃料ガスが発生している燃料ガス異常発生が検出された場合に、前記目標発熱量を低下させることにより、前記電流制御回路に前記燃料電池スタックの電流を低下させる工程と、
    を備える、制御方法。
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